ANSYS在超高压液压增力装置分析中的应用

　　引言

　　增力液压缸是一种较特殊的液压缸,它与同输出力的普通液压缸相比具有结构紧凑、效率更高等特点[1]。我们研制的超高压液压增力装置工作时增压腔工作压力达到100MPa以上,对其进行强度和刚度分析至关重要,本文使用ANSYS软件对超高压液压增力装置的输出缸进行了有限元分析计算,为确定合理的结构尺寸提供依据。

　　ANSYS软件是一个功能强大的大型通用有限元分析软件,其强大的后处理功能,大大地简化了设计人员在有限元分析完成后的数据处理和结果分析,缩短了设计周期[2]。

　　1 液压增力装置的结构及工作条件

　　液压增力装置的结构如图1所示。该装置增力部分由两个液压缸组成,缸1为输出缸,缸2为增压缸。工作过程为:输出缸的活塞向左运动,遇到负载后,增压缸工作,开始向左运动,此时,输出缸的右腔液体受到压缩,产生液压力,推动输出缸活塞向左侧运动[3]。

　　由于输出缸受到负载的作用,该液压输出缸的右腔将会产生很高的液压力。

　　本文主要是对液压增力装置左侧的输出缸进行分析。液压缸的缸筒与端盖的连接形式为法兰连接,此液压输出缸的工作条件和初始设计参数如下所示:

　　增力装置承受的负载为1.0106N;

　　输出缸的高压腔产生的压强为100MPa以上;

　　输出缸的外径为240mm;

　　输出缸的内径为120mm;

　　输出缸右端的圆角半径为5mm。

　　输出缸缸体的材料采用40Cr,该材料的弹性模量E=201GPa,泊松比L=0.27,密度Q=7.910³kg/m³,安全系数n=2.5。

　　2 实体模型的创建

　　此液压增力缸采用直接法自顶向下的三维建模方式[4]。由于已经对左端紧固缸体与端盖的螺钉进行了手工校核,得知其受力及变形均较小,而且我们分析的重点主要是检验筒壁的变形及应力,所以在建模时应将缸体独立出来,不分析活塞、端盖以及右侧的活塞杆。接下来要进行实体模型的网格化。对此液压输出缸划分单元时,我们采用了ANSYS软件自身具有的自由划分网格的方法[5]。这里使用的是10节点六面体单元,单元尺寸为1cm。在本模型的网格划分过程中,出现了几个畸形网格,针对于畸形网格,对其进行了局部的网格调整,使其达到了合理要求。建模和网格划分结果如图2所示。

　　3 约束及载荷处理

　　由于在实际应用过程中,液压缸是利用其位于左端的螺钉孔固定在机架上;并且,输出缸左端的变形及受力均较小,因此在加约束时应限制缸筒左端轴向的位移。在载荷处理上,活塞处在最左端时,将是输出缸的受力面积最大的状态,此时,活塞在缸筒内只占用靠左端的一部分空间,所以,在缸筒内部加载荷时应该在只承受液压力的内表面施加表面压力载荷。另外,右端的螺钉孔要承受螺钉施加的拉力,该拉力的产生是由于缸筒内部的液压力作用在小活塞杆上,而小活塞杆承受的力又通过右侧的液压缸间接作用在螺钉上,因此可将小活塞杆所受的力转化到螺钉孔上。